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高達80伏、可編程的約瑟夫森電壓標準

來源：PTB新聞

主要適用于以下領域：

·計量機構(gòu)

·電量子計量

·基礎研究

可編程約瑟夫森電壓標準指的是由具有幾千個約瑟夫森結(jié)的串聯(lián)陣列組成的電量子標準。它們通常能產(chǎn)生具有基本準確度高達10伏的電壓，并被國家計量院用來實現(xiàn)電壓單位。目前，PTB成功地用約瑟夫森電壓標準實現(xiàn)了世界上第一個高達80伏的輸出電壓。

圖示：安裝在樣品架上的兩個20伏約瑟夫森陣列。另外兩個陣列被安裝在下方。

海德堡的馬克斯·普朗克核物理研究所（MPIK）在進行原子物理學基礎研究實驗時，其需求激發(fā)了該標準的開發(fā)。潘寧阱使用磁場和靜電場來儲存離子，需要超穩(wěn)定、低噪音的電壓源。研究人員使用MPIK的PENTATRAP質(zhì)譜儀來確定長壽命、高電荷重離子的質(zhì)量比。PENTATRAP中的五個潘寧阱使用了內(nèi)部開發(fā)的高達90伏的高穩(wěn)定常規(guī)電壓源。盡管它的時間穩(wěn)定性很高，但該電壓源將可達到的相對測量不確定度限制在了大約10-11。為了進一步改進，MPIK和PTB正在合作開發(fā)一個基于約瑟夫森電壓標準的高穩(wěn)定量子電壓源。約瑟夫森電壓標準的普遍基準是10伏，而隨著輸出電壓需要的增加，小型系統(tǒng)中連接的陣列就會面臨特殊的挑戰(zhàn)，這種系統(tǒng)包含了陣列所需的微波和電流。

PTB通過串聯(lián)四個20伏的約瑟夫森陣列，現(xiàn)已成功地產(chǎn)生了約80伏的輸出電壓。這一電壓水平代表了約瑟夫森電壓標準的世界紀錄。驗證系統(tǒng)的第一批研究中，PTB對兩組串聯(lián)運行的兩個陣列進行了相互比對，并確定了優(yōu)于10-9的相對一致性。

PENTATRAP實驗的初步測試中，在大約22伏的電壓下，約瑟夫森電壓源將時間穩(wěn)定性提高了三倍。PTB還計劃將電壓水平提高到80伏。此外，研究人員目前正在開發(fā)一個電子偏置源，可以在整個電壓范圍內(nèi)對輸出電壓進行可編程的簡單調(diào)整。